Многомасштабное исследование процессов дислокационной пластичности металлов в широком диапазоне скоростей деформации и температур

Объекты исследования: металлы, подвергаемые динамической деформации со скоростями деформации от 1/мкс до 1/нс. Цели: исследование при помощи атомистического моделирования, дискретной дислокационной динамики и континуального моделирования процессов пластической деформации, включая движение и кинетику дислокаций, а также их влияния на механическое поведение металлов, в частности, на распространение ударных волн, откольное разрушение и отклик порошков металлов при динамическом компактировании. Численные исследования в рамках НИР проведены при помощи молекулярной динамики (МД), дискретной дислокационной динамики, дислокационных моделей пластической деформации структурных элементов среды и континуального моделирования. Разработана модель дискретной дислокационной динамики, в которой движение дислокаций в чистом металле и взаимодействие с фазовыми выделениями описываются с помощью уравнений движения, верифицированных и параметризованных по данным МД моделирования. Модель позволяет учитывать распределение фазовых выделений по размерам и рассчитывать движение десятков тысяч дислокаций в областях металла с характерными размерами в десятки мкм, получая кривые напряжения - деформации, близкие к экспериментально наблюдаемым. Для расчета кривых напряжение - деформация в рамках развитого трехуровневого подхода в качестве исходных данных служат характеристики межатомного взаимодействия и микроструктура сплава. При помощи МД моделирования изучено движение малоугловых симметричных границ зерен наклонна, предложена и верифицирована дислокационная модель, которая описывает движение таких границ, как стенок полных дислокаций на основе уравнений движения уединенной дислокации. Предложена модель динамического компактирования нанопорошка металла, в которой пластическая деформация описывается на основе дислокационного подхода; проведена ее верификация на основе результатов МД. Дислокационные модели пластичности применены для описания откольного разрушения металлов в растягивающих напряжениях, в части пластического роста пор; модель верифицирована путем сравнения с результатами крупномасштабного МД моделирования и с экспериментальными данными. Проведено теоретическое исследование откольного разрушения ряда металлов: алюминия, меди, олова, свинца и тантала. Для решения научных и инженерных задач разработаны трехмерные численные коды, объединяющие метод сглаженных частиц (SPH) и развиваемую коллективом дислокационную модель пластичности: последовательный код на языке FORTRAN и параллельный код на языке C (распараллеливание на CPU). Проведено обобщение модели дислокационной пластичности на случай больших деформаций на основе использования формализма тензора конечных деформаций Грина и декомпозиции тензора градиентов деформаций на упругую и пластическую части. Результаты могут быть использованы по нескольким направлениям. Модель дислокационной динамики и трехуровневый подход могут применяться для прогнозирования прочностных свойств сплавов и оптимизации их микроструктуры. Дислокационная модель компактирования нанопорошка будет применяться при макроскопическом моделировании ударно-волновых процессов при динамическом уплотнении нанопорошков для описания локальной механической реакции и оценки степени уплотнения. Обобщения и программная реализация модели дислокационной пластичности в трехмерном случае будет использоваться при континуальном моделировании динамических воздействий на металлы. Продолжением НИР станут дальнейшее развитие и адаптация для инженерной практики трехмерных алгоритмов, реализующих оригинальные модели дислокационной пластичности и динамического разрушения, дальнейшее развитие и применение метода дискретной дислокационной динамики, дислокационных моделей ударно-волнового компактирования порошков и пористых сред.